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1、王兵王兵 刘鹏程刘鹏程综述：综述：管管内内对对流流换换热热过过程程广广泛泛存存在在于于化化工工、动动力力、制制冷冷及及太太阳阳能能热热利利用用等等工工程程技技术术领领域域的的各各种种热热交交换换设设备备中中，是是一一个个传传热热温温差差和和流流体体流流动动阻阻力力并并存存且且相相互互影影响响的的传传热热过程。过程。边界层理论边界层理论场协同理论场协同理论有效能有效能分析分析脉动分析脉动分析定义：边界层是由于流体的黏滞性，在紧靠其边界壁面附近，流速较势流流速急剧减小，形成的流速梯度很大的薄层流体，又称为流动边界层.对于强制对流，若忽略自然对流的影响，其一般对于强制对流，若忽略自然对流的影响，其一
2、般准则数关系式为准则数关系式为：Nu=(Re,Pr)Nu=(Re,Pr)在一定范围内，这个关系式可整理成如下形式在一定范围内，这个关系式可整理成如下形式:Nu=C*Rem*PrnNu=C*Rem*Prn针对静止坐标系下的流动换热问题，有学者从二维层流边界层能量方程出发，重新审视了热量输运的物理机制，把对流换热比拟成有内热源的导热过程，并指出热源强度不仅决定于流体的速度和物性，而且取决于流速和热流矢量的协同:流动的存在可能强化换热，也可能并无实质贡献甚至减弱换热，并以二维平板层流边界层问题为例提出了场协同理论，得到了 Nu数与温度梯度之间的关系，定义了表征速度场和温度场协同程度的场协同数Fc。场
3、协同理论提出以来，对于其在静止坐标系下的应用研究得到了广泛的关注和发展:把场协同理论的应用从层流拓展到湍流，提出采用多纵向涡强化管内对流换热的场协同强化方法;管内强化对流传热的场协同分析定义：有效能指的是动力设备对流体实际做功的那部分能量在管内对流换热中，流体因其不可逆性引起的流动摩擦阻力和温差传热，导致能量贬值，即有效能的损失。当有传热发生时，流体热物性随温度变化而改变，使得速度的分布发生一定程度的改变，速度的变化反作用到流体的传热在流体的热物性中，对温度的变化最为敏感，而在大多数情况下，黏性对传热过程的影响远大于其它物性的影响一般情况下，液体的黏性随温度升高而减小，气体则呈现与液体相反的趋
4、势，使得管内速度分布发生畸变，这必将对流动中的传热和压降特性产生重要影响。在热物性对有效能损失影响的研究中，目前对有效能的研究只是针对层流的情况。师晋生等针对壁面定热流加热的管内对流换热有效能损失进行了研究，分析了黏度等变化的影响。得到了4条适用于层流和紊流的规律性的结论。并得出了适用于层流和湍流的简单关系式，其反应了有效能损失与换热工况、流动状态、管长的关系。随着流体粘性变大，温差传热时管内液体近壁处流速增大，换热系数也增大，在热流不变的条件下，壁面温度与流体平均温度差将减小，实际温差传热有效能损失会减小，由流动引起的有效能损失更会减小。这是因为近壁处液体流阻系数减小，这样总的单位热容有效能
5、损失将减小。对管内流动，脉动流体进入管道进口时造成换热系数的影响，直接反映在速度发生周期性变化，以及流体的脉动幅值、频率的变化。通常的研究结果表明脉动流体会起到强化或弱化换热效果，胡玉生等通过数值模拟的方法对管内流体脉动流动的分析。取内径为 8mm、长度为 2m 的圆管，流动状态为层流，管壁采用恒壁温加热方式，管子进口处的速度变化为正弦周期性变化。假设（1）流体为不可压缩流体，物性为常数；（2）忽略重力的影响；（3）所有界面和接触表面不变形，液-固接触面为无滑移边界；（4）管子周向上的速度、温度和压力等的变化可略而不计（即简化成二维问题）。只取圆管轴心上面一侧作为研究对象，则将问题简化为二维、
6、非稳态、常物性、轴对称层流流动与换热问题。结果表明阻力比无脉动时大，并且在流场中有与主流区流动方向相反的流动现象，当无因次振幅不变的情况下，换热强化比随频率的增大逐渐增大，在低频率时变化较为明显，在高频率时变化不明显，但是频率较高时能够强化换热，而在频率较低时则会有弱化换热的情况，同样，当频率不变的情况下，换热强化比是随着无因次振幅的增大先是逐渐下降然后逐渐增大，在无因次振幅较低时，会弱化换热，并且振幅的影响不是很明显，相反，振幅对换热效果的影响十分显著，并且随着振幅的增大，换热效果逐渐增大，因为脉动时阻力比无脉动时大，而且在流场中有与主流区流动方向相反流动现象，这是造成流体强化或弱化换热的原
7、因。稳态法稳态法瞬态瞬态法法组合曲线回归法组合曲线回归法对流换热系数的定义是热流除以温差，所以要获得热流，一种是用热流传感器，直接测量表面的热流，温差通过热电偶测量，可以求出对流换热系数；另一种是通过求解固体的稳态导热方程，得到壁面热流，再进行温差测量，得到对流换热系数。利利用用周周期期变变化化的的流流体体温温度度在在固固体体壁壁内内的的传传播播特特性性确确定定对对流流换换热热系系数数的的原原理理,即即根根据据流流体体与与固固体体温温度度变变化化之之间间的的相相位位角角滞滞后后(或或振振幅幅衰衰减减)确确定定对对流流换热系数换热系数.针针对对螺螺旋旋扁扁管管壁壁面面温温度度难难于于准准确确测测
8、试试的的特特点点，可可以以采采用用线线性性曲曲线线回回归归与与非非线线性性曲曲线线回回归归相相结结合合的的方方法法进进行行管管内内传传热热系系数数计计算算，组组合合曲曲线线回回归归法法可可避避免免壁壁温温测测量量过过程程产产生生的误差，提高测试结果的的误差，提高测试结果的准确度。准确度。缩放管强化换热缩放管强化换热金属泡沫管强化换热金属泡沫管强化换热带交叉肋方形截面通道换热带交叉肋方形截面通道换热纳米流体强化换热纳米流体强化换热高压电场强化换热高压电场强化换热缩缩放放管管是是由由依依次次交交替替的的收收缩缩段段和和扩扩张张段段组组成成，使使流流体体始始终终在在方方向向反反复复改改变变的的纵纵向
9、向压压力力梯梯度度作作用用下下流流动动，通通过过表表面面缩缩放放来来改改变变管管内内流流体体的的流流动动状状况况以以达达到到换换热热的的效效果果。在在同同等等压压力力降降下下，流流体体的的流流动动速速度度模模量量、流流动动方方向向、湍湍流流强强度度相相较较圆圆管管内内而而言，缩放管的传热量会大幅度言，缩放管的传热量会大幅度增加增加。金金属属泡泡沫沫管管是是一一种种新新型型的的多多孔孔材材料料。利利用用多多孔孔材材料料调调整整流场流场分布，可以减分布，可以减薄薄边界层厚度，有效边界层厚度，有效增强增强换热。换热。金金属属泡泡沫沫可可以以大大大大减减薄薄边边界界层层的的厚厚度度，使使截截面面流流体
10、体速速度度分分布布十十分分均均匀匀，截截面面温温差差也也很很小小泡泡沫沫管管的的平平均均努努谢谢尔尔特特数数随随孔孔隙隙率率的的减减小小或或孔孔密密度度的的提提高高而而增增大大，随随流流体体和和固固体体导导热热系系数数比比的的减减小小而而增增大大当当系系数数比比0 0.10011001时时，采采用用低低孔孔密密度度的的金金属属泡泡沫沫既既可可以以强强化化换换热热，同同时时也也可可以以大大减小大大减小压降。压降。采采用用金金属属泡泡沫沫管管可可以以大大大大强强化化传传热热，但但相相对对同同时时管管内内流流体阻力体阻力增加增加也会也会很多。很多。粗粗糙糙元元是是一一些些小小的的凸凸起起物物，按按照
11、照一一定定的的角角度度，周周期期性性地地布布置置在在需需要要强强化化换换热热的的换换热热面面上上。粗粗糙糙元元能能使使流流体体的的流流动动形形成成湍湍流流而而强强化化换换热热，同同时时也也会会引引起起阻阻力力增增加加。为为了了不不使使阻阻力力增增加加过过多多，应应使使湍湍流流脉脉动动限限制制在在靠靠换换热热面面很很近近的的地地方方，也也就就是是在在边边界界层层内内。带带交交叉叉肋肋方方形形截截面面通通道道就就是是利利用用这这个个原原理理通过内置粗糙元以达到管内强化通过内置粗糙元以达到管内强化换热。换热。表表面面活活性性剂剂的的加加入入可可以以使使湍湍流流在在减减阻阻的的同同时时对对流流换热换热系数也大幅度系数也大幅度降低。降低。表表面面活活性性剂剂溶溶液液具具有有剪剪切切可可逆逆性性及及温温变变可可逆逆性性，利用利用该性质该性质可以可以对其湍流的对流换热进行对其湍流的对流换热进行控制。控制。在在流流体体中中加加入入纳纳米米材材料料后后流流体体的的对对流流换换热热系系数数明明显显提提高高，随随着着雷雷诺诺数数的的增增加加换换热热系系数数还还呈呈线线性性提提高。高。有机流体在外加直流高压电场的作用下，电场能对管内层流强制对流换热起着很好的强化作用。利用高压电场目的是增加在管内层流流动的流体的紊乱程度，变层流为湍流。